齿鲸生物声呐目标探测研究综述

齿鲸依靠其天然的声呐系统进行水下目标探测.齿鲸通过前额的声发射系统发出超声脉冲,经声阻抗各异的声学结构调控形成波束,作用于目标,利用下颌区域的多相声接收通道接收目标回波.齿鲸通过分析目标回波中蕴含的时域、频域与能量等多维度信息,并进行非线性组合,实现目标探测与辨别.齿鲸目标探测过程蕴藏复杂的物理机理.本文以目标探测实验测量、目标回波散射分析与仿齿鲸声呐系统为出发点,回溯齿鲸声呐目标探测的相关研究.齿鲸在目标探测过程中,会根据目标强度、回波的时频信息,自适应调整其声发射脉冲频率、发射系统几何形态,实现高效探测,是优越的水声探测系统.参考齿鲸声呐设计人工探测系统可获取多维度的声场信息,与生物实验测量相辅相成,加深对生物多相介质中的声发射与声接收过程的理解,丰富齿鲸目标探测物理机理认知,为人工仿生声探测技术的发展与仿生水下装置设计提供新参考.     

齿鲸生物声呐发射特性与波束调控研究

齿鲸生物经过长期自然选择,进化出小巧、灵敏、高效的声呐系统.齿鲸生物声呐研究涉及海洋物理、声学、生物学、仿生学和信息学等学科,对于生物仿生、水声声呐、信号处理、水下探测与通信等领域具有参考价值.本文从声呐系统解剖结构、声呐信号与声呐波束调控三方面出发介绍齿鲸声呐发射系统.首先,介绍如何利用计算机断层扫描成像与超声测量技术重建齿鲸声呐发射系统的高精度三维结构,获取其声速、密度分布,为声呐系统的功能研究建立基础.随后,探究声呐系统发出的声信号的特性,研究声信号与生物行为之间的联系.最后,参考齿鲸生物声呐解剖结构与声呐信号特性建立数值模型研究声发射系统的气质结构、软组织结构和骨质结构组成的声学多相介质对声波传播的控制作用.齿鲸生物能利用其声呐信号的多样性与声呐发射系统结构的复杂特性动态调整声波传播与波束形成.探究齿鲸生物声呐工作原理能加深对生物多相介质中的声传播过程的理解,有望为水下仿生声探测与感知技术的发展提供新思路.     

AUV双基地合成孔径声呐成像实验*

单基地合成孔径声呐成像通常基于点目标假设,其相干积累处理不能克服分布型目标散射模式的起伏效应。收发异置的双基地声呐可以从不同角度观察目标,充分挖掘目标散射模式的角度依赖特性,在对水下目标(尤其人造目标)检测与定位方面,相对仅仅观测后向散射的单基地声呐有潜在的优势。该文 介绍一种基于自主水下航行器的双基地合成孔径声呐系统,重点介绍湖试成像的结果,验证双基地合成孔径声呐的可行性。同时通过引入目标散射模式建模的宽角度合成孔径声呐处理,实现了对目标探测性能的提升。     

声学消息

新书《主动声呐检测信息原理》即将出版 本书由朱野编著,海洋出版社出版,主要内容是从信息论和通信观点出发,全面、系统地讨论了水下有源声检测的全过程,着重讨论主动声呐三要素——声呐波形、声呐信道和声呐接收机以及它们之间的互相适配问题。 全书共11章,第一章是绪言,讨论水下有源声检测的特点及其与信息论的关系,引出全书的内容安排。第二章是波形分析基础,讨论一般确定性波形的信息特征(复数形式,窄带和宽带模糊度函数,波形分辨、模糊和测不准关系)。第三章讨论匹配滤波和脉冲压缩原理和作用及其各种实现技术(DELTIC,FFT,SAW,CCD,ChirpZT等)。第四章讨论几种常用波形     

主动声呐信息过程的实验研究——声呐信号综合分析仪在信道研究和声呐设计中的应用

本文介绍声呐信号综合分析仪(简称SZY)在主动声呐信道特性的实时测量和声呐设计中的应用原理和方法,并给出部分实验结果.内容包括:1.声呐信号分析:相关、模糊度和谱以及随机数据的统计测量;2.主动声呐信道(水声传输信道、目标散射和混响)特性的测量:时变谱和时变相关、时空相干性和散射函数;3.声呐检测和最佳设计:定位、跟踪、波形设计和信道匹配.     

水中分层弹性球壳高频时域回波的声学编码研究

针对水下集群目标及敌我目标识别的难题,该文提出了一种基于水中分层弹性球壳高频时域回波的声学编码原理及方法。推导了水中4层弹性球壳目标散射声压的简正级数解,并与有限元结果进行了对比验证。通过构造高频主动声呐的探测脉冲信号,与4层弹性球壳声传递函数的简正级数解做卷积运算,获得了目标的时域回波脉冲序列。研究了分层弹性球壳的厚度、各层材料属性、排布顺序等对时域回波特征的影响规律,提出了基于时域回波特征的声学编码方法。研究表明：利用水中分层弹性球壳目标高频时域回波特征能够实现声学编码,回波结构稳定,且不受限于探测方向。通过携带或安装这种分层弹性球壳结构,有望识别水下航行体/悬浮体等目标。该文的研究对水下目标的主动探测身份识别及导航等具有一定的参考价值。     

水下目标声散射信号的时频域盲抽取

目标声散射机理及其散射特性为识别目标的物理依据.针对水下目标声散射成分在时-频域存在相互混叠干扰,造成目标弹性声散射特征不稳定的问题,提出一种适合在欠定问题下分离目标声散射成分的时频域盲抽取方法.研究声散射成分的时频特征差异,构造目标回波单源自项的空间时频分布矩阵,通过对其进行特征值分解抽取相应的声散射成分,建立描述目标声散射物理特性的信号模型.抽取出的目标各弹性波分量与以表面环绕波产生理论计算结果相符.仿真与消声水池实验数据处理结果表明,该算法可以分离出目标回波的各个声散射成分,提高了分离信号的输出信噪比,为水下目标识别提供稳定和可靠的特征.     

气泡线性振动时近海面气泡群的声散射

海洋中的不同成因的气泡群是常见的水下声学目标及声呐混响源,因此对水下气泡群进行声学建模意义重大。利用有效媒质理论描述气泡群内部的相速度及声衰减变化,并考虑到海洋中气泡群往往产生于不同界面附近,进一步利用球面波叠加原理描述海面对气泡群散射声波的再辐射,导出了平海面作用下气泡群声散射截面的一般表达式,建立了其声散射模型,研究了单一尺寸及混合尺寸气泡群的声学特性。数值分析表明,气泡群的谐振频率会随其半径或孔隙率增加而降低;由于海面的存在,气泡群声散射截面会随频率进行周期性变化,且随气泡群远离海面,这一变化逐渐加剧。此外,若气泡的黏滞阻尼项在全部阻尼项中占比较高,气泡群声散射强度会在谐振频率附近存在起伏振荡。该模型可为近海面鱼群、气泡羽流及海底泄漏的甲烷气体的声学建模提供一定的理论基础。     

水下低频振荡涡流场声散射调制机理与特性研究

水下涡流场对声波的散射问题是声波在复杂流场中传播的基本问题,在水下目标探测和流场声成像领域具有重要意义.针对水下低频振荡涡流场声散射调制问题建立了理论分析模型与数值计算方法,探究了其声散射调制声场的产生机理与时空频特性.首先,基于运动介质的波动方程,通过引入势函数将波动方程分解为流声耦合项和非耦合项,并对流声耦合项进行频域分析处理,揭示了水下振荡涡流场的声散射调制机理;其次,采用间断伽辽金数值方法对水下低频振荡涡流场中声传播过程进行了数值模拟,分析了低马赫数条件下,不同入射声波频率、涡流场的振荡频率和涡核尺度对涡流场声散射调制声场时空频特性的影响规律,并结合理论分析模型对其特性进行了解释.研究表明:低马赫数下,振荡涡流场对声波的散射可产生包含涡流场振荡频率双边带调制谐波的散射调制声场,且随着入射声波频率、涡核尺度的增大,散射调制声场强度增强,总散射声场空间分布具有对称性和明显主瓣,且主瓣方位角趋近于入射波传播方向;在频率比远大于1条件下,涡流场振荡频率对散射调制声场强度影响较小.     

水中目标二维亮点分布研究

众所周知，水中目标声散射近场具有时-空分布特性，它的特性可用目标的时间（即距离）-方位二维亮点分布来描述。本文介绍了这一基于声信道理论的原理。结合海试结果，讨论了几种主要目标声散射的机理及它们在目标二维亮点图中的表征。最后，给出了目标二维亮点分布的物理模型。